TW201716749A - 用以決定輪胎軌跡的光學感測器系統及方法以及汽車導航系統 - Google Patents

Abstract

光學感測器系統包含：一輪胎，安裝於一輪拱中，其外表面上具有均勻分佈的多個輪距：以及一光學感測器，安裝於該輪拱中但不與該輪胎接觸，該光學感測器用以擷取對應於該些輪距的多個影像以進行多個計數，以及將所擷取的該些影像與一參考影像進行比較，來決定出該輪胎自一初始位置的二維位移。該光學感測器執行一軌跡計算，以將該輪胎自該初始位置的該二維位移轉換為該輪胎沿著一路徑行走的距離，以決定該輪胎的軌跡。

Description

用以決定輪胎軌跡的光學感測器系統及方法以及汽車導航系統

本發明係涉及光學感測器，更具體而言，涉及一種可執行測距追蹤（odometry tracking）的光學感測器。

由於光學感測器可以偵測微小的方向性變化以追蹤二維表面上物體的移動，故光學感測器經常應用於光學滑鼠。光學感測器的工作原理係對於物體所移動的表面上進行照射以擷取影像，並且將所擷取到的影像與一參考影像進行比較，來決定物體自原點所移動的距離。上述的影像比較產生了垂直方向的累積值（accumulated delta）ΔY以及水平方向的累積值Δx，而計算機演算法可藉此來決定物體的總和運動（resultant motion）。

光學感測器的優點是，只需要單一的光學感測器即可決定物體的角運動（angular motion），例如上述光學感測器可分別生成兩個方向的累積值值，即Δx以及Δy。光學感測器通常應用於感測較微小的距離變化，但是若可將光學感測器應用偵測輪胎所進行的移動，則光學感測器便可追蹤輪胎的運動，從而將所偵測到的運動轉換為實際的距離。

承上，本發明的一目的係為是設置用以追蹤輪胎運動的單一光學感測器，以便量測距離以及執行測距追蹤（odometry tracking）。

本發明的一實施例提供了一種用以決定輪胎軌跡的光學感測器系統，該光學感測器系統包含一輪胎以及一光學感測器。該輪胎係安裝於一輪拱（wheel arch）中，該輪胎具有一外表面，該外表面上具有均勻分佈的多個輪距（wheel tread）。該光學感測器係安裝於該輪拱中但不與該輪胎接觸，該光學感測器用以擷取對應於該些輪距的多個影像以進行多個計數，以及將所擷取的該些影像與一參考影像進行比較，來決定出該輪胎自一初始位置的二維位移。該光學感測器執行一軌跡計算，以將該輪胎自該初始位置的該二維位移轉換為該輪胎沿著一路徑行走的距離，以決定該輪胎的軌跡。

本發明的另一實施例提供了一種用以決定輪胎軌跡的方法，該方法包含：安裝一輪胎於一輪拱中，該輪胎具有一外表面，該外表面上具有均勻分佈的多個輪距；以及利用安裝於輪拱且不與該輪胎接觸的一光學感測器來執行以下步驟：擷取對應於該些輪距的多個影像以進行多個計數；將所擷取的該些影像與一與參考影像進行比較，來決定出該輪胎自一初始位置的二維位移；以及執行一軌跡計算，以將該輪胎自該初始位置的該二維位移轉換為該輪胎沿著一路徑行走的距離，以決定該輪胎的軌跡。

本發明的另一實施例提供了一種汽車導航系統，該汽車導航系統包含一汽車，該汽車包含有一輪胎以及一光學感測器。該輪胎係安裝於該汽車的一輪拱。該光學感測器係安裝於該輪拱中但不與該輪胎接觸，該光學感測器用以擷取該輪胎的多個影像，以及比較所擷取的該些影像來決定出該輪胎一二維位移。該光學感測器執行一軌跡計算，以將該二維位移轉換為該輪胎沿著一路徑行走的距離，以決定該輪胎的軌跡。

請參見第1圖，第1圖為根據本發明的一實施例的安裝在一輪胎上方的光學感測器的示意圖，如第1圖所示，測距追蹤（odometry tracking）系統100包含有：一輪胎150，安裝於一輪拱（wheel arch）120內；三個光學感測器131、161以及191，設置於輪拱120的頂部，分別被各自的外殼（casing）133、163以及193所保護。應當注意的是，本發明於只需要設置單一光學感測器（亦即光學感測器131，161以及191其中一者），即可實現測距追蹤，而在本實施例中採用三個感測器僅作為說明之目的，並非對於本發明的限制。請注意，在本發明實施例中，測距追蹤系統100亦可理解為一汽車。

設置外殼133、163以及193的目的是為了保護光學感測器131、161以及191，以避免其遭受損壞。如第1圖所示，外殼133可與輪拱120平行，且外殼193、163可分別與輪拱120左、右二凸出部份平行。此外，外殼133、163以及193除了用來保護光學感測器131、161以及191本身，亦可保護外殼133、163以及193各自的鏡頭遭到污物濺射。

透過使用光學感測器131、161以及191的其中一者，即可準確的估測輪胎150已行進多少距離，以及輪胎150所行進的軌跡。如上所述，光學感測器131、161以及191係安裝於輪拱120的頂部，其中輪拱120可以是一機動車輛（motorized vehicle）（例如汽車）的輪拱，亦可為跑步機的輪拱。當輪胎150轉動時，光學感測器131、161以及191會基於掃描到的輪胎150的外表面上均勻分佈的輪距（wheel tread）的數量來回報（或計算）行走的距離。

請參閱第2圖以及第3圖，第2圖為輪胎在一直線方向上移動所產生的累積運動的示意圖，且第3圖為輪胎以轉動方式移動所產生的累積運動的示意圖，第2圖以及第3圖說明了如何根據光學感測器的回報（或計算）來產生累積運動參數（accumulated motion parameters）。舉例來說，第2圖可視為輪胎150轉動（rotate）但不轉向（turn）時所產生的累積運動，其中X軸方向並無累積值產生，而Y軸方向上則有與輪胎轉動呈相反方向的累積值Dy。

第3圖為輪胎150轉動並且轉向時所產生的累積運動，其中X軸方向、Y軸方向均有與輪胎動作呈相反方向的累積值Dx、Dy。為了計算輪胎150的有效距離（resultant distance），必須計算Dx以及Dy的斜邊長度，並將其轉換為實際移動的距離。

舉例來說，可執行一校正步驟來產生用於上述轉換的一比例，例如執行校正過程來計算光學感測器每次的影像擷取中輪胎所轉動的幅度，進而調整所需的比例。如上所述，每次計數的間隔會對應於輪距。假設輪胎如第2圖轉動但未轉向，則輪胎實際轉動的距離就可以根據輪胎的圓周長C計算。

輪胎的圓周長C可以使用畢達哥拉斯方程式（Pythagorean equation）來計算，如方程式（1）所示（其中r係為半徑）： C = 2πr             （1）

當輪胎轉動時，累積值Dy會漸增直到累積值Dy對應於輪胎的一次轉動為止。累積值Dy與圓周長C之間有著直接的關係，累積值Dy可用來決定一共要進行多少次回報/計數。此外，圓周長C可除以累積值Dy來產生每次計數距離（distance per count，dpc）值，如方程式（2）所示： dpc ==（2）

透過以上操作可決定出輪胎150的軌跡，當光學感測器131、161以及191係回報只有y方向的變化時，亦即只有累積值Dy產生，則輪胎150會被決定為只有轉動而未轉向，此時可執行一簡單的計數轉換來產生輪胎150行進的距離；然而，當輪胎150既有轉動也有轉向時，輪胎的轉向角度θ可使用簡單的三角函數來計算，如方程式（3）所示：（3）

一旦已決定出輪胎150轉向角度，輪胎150的軌跡便可據以繪製，如第5圖所示。在第5圖中，測距追蹤系統100係為一汽車，第3圖中所示的輪胎150此時為汽車的前輪。在第5圖中，若輪胎150的轉向角度係為已知，即可據以計算輪胎150與汽車的對應側邊之間的夾角，即90° - θ。

輪胎150的一垂直線（法線）與汽車的後輪的另一垂直線會相交，以形成具有三邊L、R以及E的直角三角形。L係為汽車的車身長度，可是為一已知的值；R以及E的長度可用三角函數來計算，如方程式（4）、（5）所示： R =（4）   E =（5）

如虛線的軌跡所示，汽車將沿著原點O以半徑R來移動，透過使用光學感測器131、161以及191來決定輪胎150的轉動距離，並且將轉動距離轉換成實際值，可據以計算出汽車沿曲線移動的有效移動距離。

如上所述，每次計數的距離已於校正階段計算出來，其可以用來計算汽車所行進的實際距離。在一實施例中，當汽車係沿著直線方向移動時，此時沒有x分量產生，將光學感測器131、161以及191所偵測的複數個輪距（其中該些輪距係加總為Dy）乘上每次計數的距離（即方程式（2）中的dpc值）即可得到有效移動距離d，如方程式（6）所示：   d = Dy × dpc     （6）

在另一實施例中，若汽車同時前進以及轉向（即沿著曲線行進），則由光學感測器131，161以及191所測得的位移可使用Dx以及Dy的斜邊而計算出來，此值會被轉換成計數，並且乘上DPC來決定沿著曲線行進的有效距離d’，如方程式（7）所示：   d’ =× dpc            （7）

在計算的最後階段，再將此有效距離帶入第5圖中的曲線，便可精確的得出輪胎的運動軌跡。

雖然以上實施例係以汽車來作舉例說明，但應理解的是，本發明的概念亦可套用在任何追蹤輪胎運動的應用上。另外，光學感測器也可經由校正來調整與輪胎之間的垂直距離，以對應於輪胎的氣壓變化或其他因素（例如輪胎行駛於崎嶇的地形）導致光學感測器與輪胎之間的距離改變進行補償。

無論光學感測器用何種方式來實施，輪胎半徑應在初始化過程設定為已知的參數，如第5圖的範例所示，車身長L以及兩後輪軸之間的距離W係採用已知的值，並且可被設定為初始化參數，然而本發明並不以此為限。

總言之，本發明提供了一種光學感測器，其可利用輪胎的二維變化來決定輪胎的角運動（angular motion）。藉由偵測到的輪胎的二維變化來繪製出輪胎的軌跡，可據以得出輪胎沿著該軌跡所行進的距離。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧測距追蹤系統
150‧‧‧輪胎
120‧‧‧輪拱
131、161、191‧‧‧光學感測器
133、163、193‧‧‧外殼

第1圖為根據本發明的一實施例的安裝在一輪胎上方的光學感測器的示意圖。 第2圖為輪胎在一直線方向上移動所產生的累積運動的示意圖。 第3圖為輪胎以轉動方式移動所產生的累積運動的示意圖。 第4圖為第3圖所示的輪胎的角運動的一範例。 第5圖為在第3圖中所示的輪胎的運動軌跡的示意圖，其中所述輪胎係為一汽車的前輪。

100‧‧‧測距追蹤系統

150‧‧‧輪胎

120‧‧‧輪拱

131、161、191‧‧‧光學感測器

133、163、193‧‧‧外殼

Claims (14)

1. 一種用以決定輪胎軌跡的光學感測器系統，包含有： 一輪胎，安裝於一輪拱（wheel arch）中，該輪胎具有一外表面，該外表面上具有均勻分佈的多個輪距（wheel tread）；以及 一光學感測器，安裝於該輪拱中但不與該輪胎接觸，該光學感測器用以擷取對應於該些輪距的多個影像以進行多次計數，以及將所擷取的該些影像與一參考影像進行比較，來決定出該輪胎自一初始位置的二維位移； 其中該光學感測器另執行一軌跡計算，來將該輪胎自該初始位置的該二維位移轉換為該輪胎沿著一路徑行走的距離，以決定出該輪胎的軌跡。
2. 如請求項1所述的光學感測器系統，其中該光學感測器係先藉由量測對應於該輪胎的單一轉動（rotation）的二維位移來進行一校正程序，以及依據該輪胎的該單一轉動來決定一共要執行多少次計數，再利用該輪胎的圓周長（circumference）來決定一每次計數距離值（distance per count value，DPC value），其中該每次計數距離值係用以將量測到的對應於該輪胎的單一轉動的二維位移轉換成該輪胎沿著一路徑行走的距離。
3. 如請求項2所述的光學感測器系統，其中該校正程序係於該輪胎有轉動但並未轉向（turn）時執行。
4. 如請求項1所述的光學感測器系統，其中該光學感測器藉由對所擷取到的該二維位移進行三角函數運算來產生該輪胎的一轉向角度（turning degree），以決定出該輪胎軌跡；以及該光學感測器利用所計算出的該轉向角度以及該光學感測器系統的至少一其他參數來決定該輪胎移動的一轉向曲線。
5. 如請求項4所述的光學感測器系統，其中該光學感測器系統係為一汽車，該光學感測器系統的該至少一其它參數係為該汽車的一前車輪軸與一後車輪軸之間的距離，以及該轉向曲線係以該後車輪軸的法線與該前車輪軸的法線交錯的位置為圓心。
6. 如請求項1所述的光學感測器系統，其中該光學感測器系統係為一跑步機（treadmill）。
7. 一種用以決定輪胎軌跡的方法，包含： 安裝一輪胎於一輪拱（wheel arch）中，該輪胎具有一外表面，該外表面上具有均勻分佈的多個輪距（wheel tread）；以及 利用安裝於輪拱且不與該輪胎接觸的一光學感測器來執行以下步驟： 擷取對應於該些輪距的多個影像以進行多次計數； 將所擷取的該些影像與一與參考影像進行比較，來決定出該輪胎自一初始位置的二維位移；以及 執行一軌跡計算，來將該輪胎自該初始位置的該二維位移轉換為該輪胎沿著一路徑行走的距離，以決定出該輪胎的軌跡。
8. 如請求項7所述的方法，其中光學感測器首先執行一校正過程，包含以下步驟： 量測對應於該輪胎的單一轉動（rotation）的二維位移； 依據該輪胎的該單一轉動來決定一共要執行多少次計數；以及 利用該輪胎的圓周長（circumference）來決定一每次計數距離值（distance per count value，DPC value）； 其中該每次計數距離值係用以將量測到的對應於該輪胎的單一轉動的二維位移轉換成該輪胎沿著一路徑行走的距離。
9. 如請求項8所述的方法，其中該校正程序係於該輪胎有轉動但並未轉向（turn）時執行。
10. 如請求項7所述的方法，其中決定出該輪胎軌跡的步驟包含： 對所擷取到的該二維位移進行三角函數運算，來產生該輪胎的一轉向角度（turning degree）；以及 利用所計算出的該轉向角度以及至少一其他參數來決定該輪胎的一轉向曲線。
11. 如請求項10所述的方法，其中該方法係應用於一汽車，該至少一其他參數係為該汽車的一前車輪軸與一後車輪軸之間的距離，以及該轉向曲線係以該後車輪軸的法線與該前車輪軸的法線交錯的位置為圓心。
12. 如請求項7所述的方法，其中該方法係應用於一跑步機（treadmill）。
13. 一種汽車導航系統，包含： 一汽車，包含有： 一輪胎，安裝於該汽車的一輪拱（wheel arch）；以及 一光學感測器，安裝於該輪拱中但不與該輪胎接觸，該光學感測器用以擷取該輪胎的多個影像，以及比較所擷取的該些影像來決定出該輪胎的一二維位移； 其中該光學感測器執行一軌跡計算，來將該二維位移轉換為該輪胎沿著一路徑行走的距離，以決定出該輪胎的軌跡。
14. 如請求項13該的汽車導航系統，其中該輪胎具有一外表面，該外表面上具有均勻分佈的多個輪距（wheel tread），以及該些影像係根據該些輪距來擷取。